（电子科学与技术专业论文）激光干涉测量技术及在电光陶瓷检测中的应用.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h en o n d e s t r u c t i v ei n t e r f e r o m e t r yc o m b i n i n gw i t hi n l a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n di n f o r m a t i o no p t i c st h e o r yh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nd e t e c t i o nf i e l d sa n dw i l la c ta m o i li m p o r t a n tr o l e i nt h i st h e s i s ，t h ee l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ( e s p i ) a n dd i g i t a lh o l o g r a p h yt e c h n o l o g yb a s e d0 1 1o p t i c a lf i b e ra l ei n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n t sa l ep e r f o r m e d ，a n dt h ei n t e r f e r e g r a m sa l ep r o c e s s e da n da n a l y z e d w e i m p r o v et h ea r i t h m e t i co nc o r r e l a t i v ei m a g ep r o c e s sf i e l d sa n dr e a l i z et h er e a l t i m e m o n i t o r i n ga n da n a l y z i n go f t h es a m p l e s e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ( e s p i ) i so n eo ft h em o s tp r a c t i c a la n d p o w e r f u lt e c h n i q u ef o rd e f o r m a t i o na n dv i b r a t i o na n a l y s i s t h em a i na d v a n t a g e so f e s p ia l et h ee a s eo fr e c o r d i n gt h eh o l o g r a p l l i ci n t e r f e r o g r a m sa n da n a l y z i n gt h ed a t a , a n dt h ep o s s i b i l i t yo fo b s e r v i n gt h eo b j e c ti nn e a rr e a lt i m e f u r t h e rm o i l ，q u a n t i t a t i v e p h a s ei n f o r m a t i o nc a l l b eo b t a i n e dw i t hp h a s em e a s u r i n ga l g o r i t h m s t h es p a c e o p t i c a ls y s t e ma n do p t i c a lf i b e rs y s t e mo fe s p ih a v eb e e ns e tu pi no u re x p e r i m e n t s t h er e a lt i m ei m a g ec a p t u r es y s t e ma n di m a g ep r o c e s sh a v eb e e nm a d e w ei m p r o v e t h ea r i t h m e t i ca n di n t e g r a t ei n t of r i e n d l ys o f t w a r e b a s eo nt h i s ，w es e tu pad i g i t a lh o l o g r a p h yi n t e r f e r o m e t r ys y s t e m as e r i e so f h o l o g r a m s a l er e c o r d e da n de m p l o y e dt or e c o v e r t h ei m a g e sr e c o v e r e da n d u n w r a p p i n gp r o b l e m sa l ei n v e s t i g a t e dd e e p l yi n t h i sp a p e r g o o da r i t h m e t i c sa l e s t u d i e dt or e c o v e rw a v ef r o n tc o m p l e t e l y t h el e a dl a n t h a n u mz i i l o n a t et i t a n a t e ( p l z t ) h a sb e e nt e s t e da n di t sf u l l f i e l dp h a s ev a l u e sa r em o n i t o r e d t h ep e r i o d i c a l p h a s ed i s t r i b u t i o na n di t sc h a r a c t e r sa l eo b t a i n e da n dd i s c u s s e dw h e na ne x t e r n a l e l e c t r i cf i e l di sa p p l i e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tp h e n o m e n o nw ei n v e s t i g a t et h e s t r u c t u r ea n dq u a l i t yo fp l z t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ( e s p d ，d i g i t a lh o l o g r a p h y ， i m a g ep r o c e s s i n g ， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 激光散斑干涉测量和数字全息技术的迅速发展实现了对干涉图记录处理的 实时，快速和数字化。本章概述了数字干涉测量技术的发展趋势、现阶段研究的 主要问题及其应用领域。介绍了激光散斑测量和数字全息的相关技术，并提出了 本论文的研究意义以及研究内容。 1 1 干涉测量技术 干涉测量技术近些年来研究和运用越来越广泛，由此而产生了多种测试方 法。x 射线照相法 1 可用于探测有间隙的缺陷( 裂纹、气孔、夹杂) 、腐蚀和厚 度变化，但对紧贴型缺陷则无能为力。超声波法 2 是另一种较成熟的无损检测 技术，主要应用于表面的穿透裂纹和表层下缺陷的检测，但需要耦合剂进行接触 性检测。声波发射法 3 作为一项常规的检测技术，可用于裂纹的产生和扩散的 探测，但它很难区分裂纹产生的信号和噪声信号，而且声波发射法检测重现性的 问题。渗透只能检测表面开口缺陷；传统的激光全息检测 4 需暗室防振操作， 其它如渗透法 5 、涡流法 6 等无损检测技术都存在着对样本及操作者具有严格 的要求。激光散斑干涉测量技术( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e mi n t e f f e r o m e t r y ( e s p i ) ) 和数字全息技术( d i g i t a lh o l o g r a p h y ) 由于其自身的独特优势和广泛的应用领域， 越来越多的引起了人们的关注。在下面的章节中我们分别介绍这两种测试方法。 1 2 激光散斑干涉测量法 1 2 1 散斑的概念 当一束激光照射到物体( 如铝板) 的粗糙表面上时，在铝板前面的空间将布 满明暗相间的亮斑与暗斑，其分布是杂乱的，故称为散斑。 形成散斑必备条件有：有能发生散射光的粗糙表面且深度必须大于波长，以 使散射光比较均匀：入射光的相干度要足够高，如激光。 散斑是激光照射在粗糙表面上而形成的，因此散斑图样的分布必定会依赖于 被照表面的细微结构，从而可以利用它来测量表面粗糙度：散斑是由大量细微的 浙江大学硕士学位论文 高反差亮斑构成，它的频谱本身很宽，因此可利用它对图像信息编码，进行图像 的加减，信息存储。物体的位移或变形必然引起散斑场的变化，因此通过测量散 斑场的变化就可以获取物体的形变信息，这就是散斑计量技术的研究内容。 1 2 2 散班计量学的发展 在激光诞生后不久，散斑现象就被发现，在全息照相和相干光图像处理的早 期工作中，激光散斑现象往往被看作降低成像质量和限制干涉条纹清晰度的一种 光学噪声，称为散斑噪声( s p e c k l en o i s e ) ，但后来发展起来的散斑摄影术和散 斑干涉计量术却形成了一门崭新的学科一散斑计量学( s p e c k l em e t r o l o g y ) 7 ， 具有广阔的应用前景 8 3 。 与其他干涉计量方法相比较，散斑计量术的优点是降低了机械稳定性，光源 相干性和底片分辨率的要求，易于调整灵敏度以及易于测量面内位移，且条纹定 位于物体表面。主要的缺点是条纹清晰度较差。 目前，散斑效应已经广泛地用于表面粗糙度研究，光学图像处理，光学系统 的调整和镜头成像质量评价等方面 9 ，但是最有应用前途的应用领域仍然是散 斑计量。 散斑干涉计量技术在六十年代末迅速发展起来。1 9 6 8 年，b u r c h 和t o k a r s k i 首先提出散斑干涉原理 1 0 - 1 1 ，主要用于疲劳检测方面。此后先后有人提出了 双光束散斑干涉法和单光束散斑干涉法。七十年代初，利得茨等人研究了双光束 散斑干涉法测量平面内位移：两束相干光以相同的角度在法线两侧平行入射照明 粗糙物体表面，而物体表面两束光形成的散斑图相互干涉形成第三个散斑图。其 后，单光束法测量面内位移的方法由阿奇博尔德等人提出，被研究的物体受到从 任意角度射来的发散相干光束照明，对像平面两次曝光，由照相机照相。双光束 法测量法的特点是：当物面沿z 方向运动时，左右入射光束的光程变化相同，在像 面上合成的散斑图样不变，曝光期间要求左右光程差恒定，需要对机械震动严格 隔离；单光束法测量的特点是：条纹的解释与照明方向无关，可允许发散光束照 明，不需要专门的隔震，但沿z 方向的位移将引起散斑图样的改变。罗格实际应 用了散斑效应，散斑图被用作为测量疲劳断裂时的模板。经y y h u n g 和l i a n g 的 改进 1 2 ，成为一种非常实用的方法。1 9 7 1 年b u t t e r s 和l e e n d e r t z 首先应用摄像 2 浙江大学硕士学位论文 机代替了全息干板记录散斑场的光强信息，并存储在磁带上，由电视摄像机输入 的物体变形后的散斑图通过电子处理的方法不断与磁带中的变形前散斑图进行 比较处理，从而在监视器上能观察到散斑干涉条纹，这种方法就是最初的电子散 斑干涉法( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y 简写为e s p i ) 1 3 。 1 9 7 4 年p e d e t s e n 等在e s p i 中实验中通过把硅靶摄像管作为光电探测头提高 了系统对光的灵敏度。1 9 7 6 年l o k b e r g 等把全息干涉术中的参考光位相调制技术 引入e s p i ，实现了测量振动的相位分布：在1 9 7 7 年，w y k e s 研究了电子散斑干涉法 中的消相干效应。1 9 7 8 年j o n e s 等利用双波长电子散斑干涉法测量物体轮廓的研 究取得了很大进展，随后几年，又对系统中各种参数的选取和优化作了详细的研 究。至此，在这近十年的时间里，人们完成了对电子散斑技术的基本原理和性质 的研究，提出了改善e s p i 条纹质量的系统参数选取方法，为以后的研究和应用打 下了基础。 进入八十年代，出现了集成化的电子存储模块。利用这种技术，电视图像可 以以点阵的形式量化为数字量存储在帧存体中，并可以读出和写入把这种技术 应用在电子散斑干涉中，就出现了数字电子散斑干涉术( d s p l ) 。它通过把物体 变形前后的散斑图量化为数字图像，存储在帧存体中，由计算机用数字的方法对 它进行运算，从而在监视器上再现干涉条纹图。数字散斑干涉减小了电子散斑的 噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。为了进一步提高e s p i 的抗震性能，1 9 8 5 年h u n g 提出了将错位技术引入电子散斑的设想，提出了电子错位术的概念( e s ) 。 1 2 3 光纤电子散斑测量技术 随着电子散斑测量技术的快速发展，光纤电子散斑干涉测量技术( f i b e r - o p t i ce l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ) 引起了越来越多研究人员的注意。 相较于传统的空间光路，光纤系统具有很多优点。比如低功耗，光学元件简单， 系统体积小，容易操作，稳定性高等 1 4 1 6 。 j d v a l e r a 等建立了简单易行的光纤散斑系统 1 7 】，如图1 2 1 所示。 随后 h y o u n g j u np a r k 等也在这方面进行了深入的研究【1 8 】，取得了可喜的研究成果。 浙江大学硕士学位论文 广- l lh e n ei 1 一 卅 o b j e c t e 图1 2 1 光纤散斑干涉测量系统 现在，散斑技术的难点在于选择合适并且有效的相移产生方法，对于相移的 精确控制：散斑条纹图像的后处理，包括滤波除噪，条纹骨架线提取等。结合图 像处理技术和各种算法，使相位图更加准确。 1 3 数字全息术概述 当两束光波相干时，其干涉光场的分布( 包括干涉条纹的形状、疏密及明暗 分布) 与两束光波的波面特性( 振幅及相位) 密切相关。1 9 4 8 年d e n n i sg a b o r 发 明了三维成像方法即全息术。全息技术利用光的干涉原理，将物体发射的特定光 波波前以干涉条纹的形式记录下来，达到冻结物光波相位信息的目的；利用光的 衍射原理再现所记录物光波的波前，就能够得到物体的振幅( 强度) 和位相( 包 括位置、形状和色彩) 信息，在光学检测和三维成像领域具有独特的优势。 但是，由于传统全息是用光波衍射再现所记录的波前和人眼来观察再现结 果，且再现的结果仍然要通过强度方式记录，很难对记录对象进行精确测量和分 析，极大地限制了其在检测领域中的应用。数字全息技术是由g o o d m a n 和 l a w r e n c e 在1 9 6 7 年提出的 1 9 ，其基本原理是用光敏电子成像器件代替传统全 息记录材料记录全息图，用计算机模拟再现取代光学衍射来实现所记录波前的数 字再现，实现了全息记录、存储和再现全过程的数字化，给全息技术的发展和应 用增加了新的内容和方法。目前常用的光敏电子成像器件主要有电荷耦合器件 c c d 、m o s 传感器和电荷注入器件c i d 三类。 数字全息作为一种新的成像技术，遵循了传统光学全息的基本思想，分为记 录和再现两个过程。主要分为两部分： 4 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 数字全息图的获取。直接用c c d 接收全息图，利用图像采集卡将离散数字 形式的全息图直接输入到计算机中存储。 ( 2 ) 数字全息图的数值再现。包括数字全息图的预处理、数值再现和对再现图 像进行数字图像处理三个过程。 数字全息术的波前记录和再现的过程可归纳为图1 3 1 所示： 图1 3 1 数字全息术的实现过程 与传统光学全息技术相比，数字全息技术的最大优点是：( 1 ) 由于用c c d 等图像传感器件记录数字全息图的时间，比用传统全息记录材料记录全息图所需 的曝光时间短得多，因此它能够用来记录运动物体的各个瞬间状态，其不仅没有 烦琐的化学湿处理过程，记录和再现过程都比传统光学全息方便快捷；( 2 ) 由于 数字全息可以直接得到记录物体再现像的复振幅分布，而不是光强分布，被记录 物体的表面亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，因而可方便地用于实现多种测 量；( 3 ) 由于数字全息采用计算机数字再现，可以方便地对所记录的数字全息图 进行图像处理，减少或消除在全息图记录过程中的像差、噪声、畸变及记录过程 中c c d 器件非线性等因数的影响，便于进行测量对象的定量测量和分析。 1 3 1 数字全息干涉术 数字全息术在干涉测量方面有着广泛的应用。它是将不同时刻拍摄的物体的 全息图记录在同一介质上，然后通过再现全息图，使再现得到的不同时刻的波前 发生干涉，根据干涉条纹可以判断物场的变化。全息干涉测量法有三种类型，分 5 浙江大学硕上学位论文 别是实时干涉测量，二次曝光方法和时间平均法。利用数字全息干涉术可以测量 反射物体表面的形变、透明物场的变化，并且可以用于振动分析、测量材料的各 种力学和热学参数等。 1 3 2 光纤全息术 随着全息术和光纤技术的迅速发展，由于光纤本身具有一系列的优点，光纤 越来越多的应用于全息成像领域。光纤全息系统省去了传统全息中必不可少的各 种反射镜、扩束镜等分立光学元件，使系统更加紧凑。由于光纤本身的可绕曲性， 使得光纤全息的光路更加灵活，调节更加方便。光纤全息系统对环境稳定性的要 求也没有传统全息术那样严格。而且光纤具有细小轻柔、抗电磁干扰、耐腐蚀等 特点，可以适合于各种复杂环境、封闭结构、强电磁干扰和强腐蚀性环境。 利用光纤传光拍摄干涉图，已经有不少学者进行这方面的工作。从早期的利 用光纤传输参考光和物光，建立数字全息干涉系统来拍摄物体的三维形貌 2 0 ， 到测量各种材料的参数，如杨氏模量及热膨胀系数，及建立内窥式全息系统等 2 1 。 1 3 3 数字全息术研究现状 数字全息术在提出后很长的一段时间内，由于受到当时光敏电子成像器件和 计算机技术的制约，一直没有重要的进展。直到2 0 世纪9 0 年代后期，随着高分 辨率c c d 等电子成像器件的出现和计算机技术的进步，数字全息技术才受到许多 研究者的重视，并开展一些实验研究工作，同时其系统的测量精度也在不断提高。 研究工作不仅包括提高数字全息分辨率的记录和再现方法，而且对数字全息的应 用研究涉及的领域也非常广泛，涵盖了形貌测量、微电路检测、粒度分析、生物 细胞观测、变形和振动测量，以及构件缺陷检测等领域 2 2 2 6 ， 目前数字全息术的理论研究主要集中在成像系统改进、再现算法及提高再现 图像的精度和分辨率等方面。 与传统全息记录材料的大尺寸和高分辨率相比，由于目前记录数字全息图的 c c d 像素大和光敏面尺寸小，导致数字全息记录中的参物光夹角小，采样频率低， 在菲涅耳衍射距离上难以记录较高空间频率的物光场。为了达到扩大成像面积， 6 浙江大学硕士学位论文 采样充分，记录物体高频信息的要求，可以采用同轴全息光路 2 7 2 8 ，按无透 镜傅里叶变换全息术的要求布置记录光路 2 9 3 1 等，其次，针对数字全息再现 像与孪生像分离的困难，目前采用的方法主要有傅里叶变换( f o u r i e r t r a n s f o r m ) 频谱滤波 3 2 - 3 6 ，拉普拉斯变换( l a p l a c i a nt r a n s f o r m ) 和卷积 运算( c o n v o l u t i o no p e r a t i o n ) 3 5 3 6 在空域对所记录的数字全息图进行处 理等方法。 迄今，研究者已提出多种数值再现方法，根据记录光路和数值再现方式的不 同，主要可分为卷积再现算法 3 7 ，相位恢复算法 3 8 - 3 9 、菲涅耳变换法 4 0 - - 4 1 、相移法 4 2 - 4 3 和波长扫描数字干涉全息术 4 4 4 5 等。提高再现像的精 度和分辨率则是数字全息术走向实用的重要方面，目前在这方面也有不少的研究 4 6 4 7 。 1 3 4 电光陶瓷检测 电光陶瓷是铁电单晶颗粒的透明集合体，具有p o c k e l s 或k e r r 非线性。它具有 优良的介电性能，电致伸缩性，铁电性与性及可调控性的特点，广泛的应用于各 种领域，如调制器，可变光衰减器，光波导等。检测铌酸锂晶体电光特性的方法 很多，有传统的化学刻蚀法 4 8 、各种光学显微镜观察法 4 9 - 5 0 、相干光照明 法 5 1 等。但是这些方法都无法定量地给出晶体极化后的相位，折射率全场变化 信息。数字全息干涉术的方法为人们测量处于极化反转状态的晶体折射率分布提 供了一种有效途径。 g r i l l i 等提出了利用数字全息干涉术的方法实现对铁电晶体的畴反转过程 进行准实时的监控和可视化，并实现了对部分畴反转铌酸锂晶体引起的探测光相 位延迟的定量测量 5 2 。而且，这种数字全息术可以建立晶体的全局内电场信息。 电光性能更为优越的透明电光陶瓷性能的检测较单晶更为复杂，有效地检测 方法和实验结果不仅有助于其生产制造的性能参数标定，更为其广泛应用的光器 件提供了良好的检测数据，具有很高的实用价值。 1 4 论文研究的内容 在无损干涉测量法中，电子散斑技术( e s p i ) 和数字全息干涉法是十分简便 7 浙江大学硕士学位论文 并有效的方法。他们对于图像的记录和分析，以及实时监测都有良好的性能。在 本文中，我们先后建立了空间电子散斑干涉系统，光纤电子散斑干涉系统和数字 全息干涉测量系统。实时采集图像并对图像进行处理分析。选择并改进各种图像 后处理算法，集成为友好的散斑图像采集及分析软件系统。选择电光陶瓷作为样 品进行检测，监测其全场相位的变化，通过分析p l z t 在外加电场作用时周期性 相位图分布特点和规律，对p l z t 结构及其电光性质进行了深入的探讨和研究。 各章内容安排如下：第一章绪论，对电子散斑干涉技术和数字全息术的基本 概念，研究现状及电光陶瓷检测等方面做了简要的介绍；第二章介绍了实验建立 的空间光路和光纤系统的电子散斑干涉测量系统的结构，实验现象等；第三章对 散斑图像的处理，比如滤波，细化，相位提取等进行了详细的阐述；第四章介绍 了数字全息实验系统的设计和组成；第五章对数字全息图的重现，以及解包裹等 算法的选择和实现进行了研究；第六章总结本文工作，对未来进行展望。 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章电子散斑干涉测量( e s p i ) 电子散斑干涉测量技术系统设计简单，结合图像处理的有关方法，可以对物 体形貌，震动等实现良好的检测和分析。本文以实验和理论相结合的方法，通过 建立电子散斑实验系统，并根据实验结果进行分析，实现了对散斑图像的实时采 集和控制。使用光纤传输和高分辨率的c c d 采集系统，提高了图像的质量，为后 续实验和分析打下了基础。 2 2 电子散斑干涉基本原理 电子散斑干涉是基于激光散斑效应，利用被测物体在激光照射后产生干涉散 斑场的干涉条纹来检测双光束波前之间的相位变化。在e s p i 中原始的散斑干涉 场由光电器件( 一般为c c d 探测器) 转换为电信号记录下来，用电子技术方法实 现信息的提取，形成的散斑干涉场可直接显示在图像监视器上，也可以存入计算 机。与传统方法相比，它操作简单，实用性强，自动化程度高，可以进行静态和 动态测量。 电子散斑干涉术对物体离面位移测量比较敏感。由激光器发出的单束光经分 光镜分成物光和参考光。这两束光互相干涉，形成合成光强。 物光的光强分布： 砜( ，) = ( ，) e x p 唬( ，) ( 2 2 1 ) 其中( 厂) 是光波的振幅，唬( ，) 是经物体漫射后的物体光波的相位。 参考光强分布： = u r ( r ) e x p 蟊( ，) ( 2 2 2 ) 其中u r ( r ) 是参考光振幅，靠( ，) 是参考光的相位。 两束光的合成光强为： ，( ，) = 2 + “尺2 + 2 u o c o s ( c o 一九) ( 2 2 3 ) 9 浙江大学硕士学位论文 当物体发生变形后，物体表面各点的散斑场振幅( 厂) 基本不变，而相位死改 变为磊一矽( ，) ，即u 。( ，) = ( ，) e x p # o - a 矽( ，) ，变形前后的参考光波维持 不变。这样，产生位移后的合成光强为： ，r ) = i , 0 2 + 甜r 2 + 2 u o 甜尺c o s ( 唬一靠一矽( ，- ) ) ( 2 2 4 ) 对变形前后的两个光强相减处理： 纠“小m ) l = 卜捌n 卜咖掣 s i n 掣l 眩2 可见，得到的光强包含有高频载波项和低频条纹。该低频条纹取决于物体变 形引起的光波相位改变。当矽：2 k 万时，7 = 0 ，即出现暗条纹。 由光波相位改变与物体变形的关系： 归2 l 7 r r d , ( 1 + c 。s 口) + 吐s i n 秒 ( 2 2 6 ) 其中入是所用激光波长，秒是照明光与物体表面法线的夹角，4 是物体变形的离 面位移，畋是物体变形的面内方向位移。在照明角度较小的情况下，o o c o s 8 - 1 ， s i n o o ，相位变化可简化为： 矽：竿盔 ( 2 2 7 ) 当：2 七石( 出现暗条纹) 时， 西：一k l , ( 2 2 8 ) 口。= 一 l z 石， 即，暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。 2 3 空间光路电子散斑系统 我们基于空间光路搭建设计了电子散斑面内位移测量系统，经过光路调试和 样本检测，能够获得良好的散班干涉图像，为后续的图像后处理以及系统的进一 步改进打下了基础。 使用的仪器主要有h e - n e 激光器，波长6 3 2 8 n m 。功率l l m w ；c c d 摄像头， 像素5 0 0 万，分辨率2 5 6 0 1 9 2 0 ；1 3 9 4 适配卡：空间滤波器；光学镜头：半透半 反镜，全反镜，准直镜；p c 主机。 1 0 浙汀人学硕l 学位论文 实验装置图如下图2 3 1 所示： 图2 3 i 电f 散斑面内能移测虽系统 我们使用高速c c d 采集系统，图像大小：2 5 6 0x1 9 2 0p i x e l s ；3 4 p mx3 4 p mp i x e l s i z e ，采用8 b i t 彩色r g b 位图。 光路调整完毕后，用c c d 将待测样本拍照，获得第一i 幅散斑图；通过调整 反射镜的位置，改变其中一路光程差( 沿垂直光路或者沿甲行光路方向) 拍摄第 二幅散斑图。如果按固定的光程差，连续采集一组图片，通过简单的运算我们就 可以看到二f 涉条纹变化的现象。 我们采用c c d 实时监控模式，通过控制分析软件对样本进行拍照并实时处 理。 ( 1 ) 沿光轴水平方向改变光程所得图像，如图2 3 2 ： 浙江大学硕士学位论文 图2 3 2 散斑干涉图像( 水平方向光程差) 水平方向移动距离与干涉图中明暗条纹间距的关系如表2 3 1 所示，其中条 纹间距以实际图中像素值表示。 表2 3 1 水平方向透镜移动距离表 移动距 1 02 0 3 04 0 5 0 1 0 01 5 02 0 0 离o t m ) p i x e l s 6 56 5 7 56 36 l5 8 54 3 63 7 5 43 4 5 d i s t a n c e ( 2 ) 沿光轴垂直方向改变光程所得图像，如图2 3 3 ： 浙江大学硕士学位论文 图2 3 3 散斑干涉图像( 垂直方向光程差) 垂直方向移动距离与干涉图中明暗条纹间距的关系如表2 3 2 所示： 表2 3 2 垂直方向透镜移动距离表 移动距 5 06 08 01 0 01 4 01 8 0 离( p m ) p i x e l s 7 6 65 7 54 4 3 3 3 32 9 2 2 6 7 d i s t a n c e 1 3 浙江大学硕士学位论文 2 4 光纤光路电子散斑系统 在空间光路实验的基础上，我们改进了实验系统，采用光纤传输系统。设计 了面内位移干涉系统和离面位移干涉系统，分别对光路进行了调试，取得了良好 的实验效果。我们使用的软硬件器件主要包括h e - n e 激光器，6 3 2 8 n m 单模光纤， 各种反射镜，物镜及c c d ，p c 机控制系统，样本系统等。 2 4 1 面内位移系统 我们建立了光纤电子散斑测试系统，利用双光束电子散斑测量物体面内位移 的光路布置见图2 4 1 所示，由h e n e 激光器发射出功率为2 m w 的激光首先耦 合入光纤传输，之后由5 0 ：5 0 的耦合器( c o u p l e r ) 将光成两路，之后两束相干 光以对称的角度口照射到物面上。c c d 在物面的法线方向上采集图像。 s a m p l e 图2 4 1 面内位移干涉测量系统 物体变形前和后，分别记录散斑场信息： 扣i o + i , + 2 1 0 l , c o s o 、( 2 4 1 ) 1 2 = o + i r + 2 1 0 ，c o s ( o + 缈、l 其中和厶，分别表示变形前后的散斑场的光强；l 和分别表示两束相干光 的光强；口为它们在物面散斑场上不同点的位相差，它反映了散斑场颗粒性的特 点；矽为物体变形引起的位相差变化，经分析得知，物面点的甜向位移与该点位 1 4 浙江人学硕士学位论文 相变化量缈的关系为： 4 万 伊5 甜c o s 口 九 is u ，= i i 一2 = 4 瓜s i n 竿咖詈 我们实验采集到的面内散斑干涉图像变化如图2 4 2 所示： 2 4 2 离面位移系统 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 慰 图2 4 2 面内散斑干涉图 蘸 对于离面系统，我们使用一个5 0 5 0 的半透半反镜，将其中一路光束经过镜 面改变光路，反射入c c d ，另一束光照射在样本表面漫反射后再通过透镜进入 c c d 。离面光路系统较之于面内系统，光路调整的难度有所增加，必须保证两路 光在c c d 前的传播路径的完全重合。另一方面，由于两路光路不同，导致最后 浙il 人学硕上学位论文 出射的光功率有所差异，这些因素都会影响到产生散斑干涉图的效果。 双光束测量物面离面位移的光路布置见图2 4 3 所示，经过类似的分析，也 可得到与( 2 3 3 ) 式相似的结果，只是此时矽与离面位移形的关系为： 口：2 n w( 2 3 4 ) 图2 4 3 离面位移干涉测量系统 我们实验采集到的离面散斑干涉图像变化如图2 4 4 所示： 溅蘩 1 6 浙江人学硕士学位论文 2 5 本章小结 图2 4 4 离面散斑干涉图 本章基于电子散斑测量法的基本原理，建立了空间电子散斑干涉系统和光纤 电子散斑干涉系统，包括测量面内位移和离面位移系统。并介绍了实验系统中的 软硬件条件及所需要的各种器件。通过实验得到的散斑图像的性质，初步分析了 实验结果。同时也简要说明了在实验中需要注意的一些问题。 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章散斑图像后处理 散斑图像的后处理过程是电子散斑干涉技术的重要环节。在原始散斑图做简 单的减法运算便可以得到散斑干涉图，连续产生的散斑干涉图还可以监测物体表 面的形貌和缺陷变化。在这一章，我们主要就散斑干涉条纹图的预处理过程，细 化以及相位图产生等做详细的阐述。此外，我们针对电子散斑系统设计了图像捕 捉，处理及分析软件，就软件实现的基本功能简要的予以了介绍。 3 2 图像预处理 条纹图在其产生、采集、数字化等过程中，不可避免地会引入各种噪声，甚 至会出现图像质量退化的现象，如条纹对比度太弱，背景光太强或变化太大。在 提取图像有效信息前需要将图像首先做相应的预处理，以便减少噪声对图像的影 响，为之后的相位分析等处理做准备。 3 2 1 噪声来源及分类 噪声大致可以分为随机噪声和系统噪声两大类。随机噪声通常是由各种电子 噪声、热噪声、电子光敏元器件不均匀、光栅和物体不洁等原因引起。随机噪声 又分为加性噪声和乘性噪声。 加性噪声随时间变化。例如在采集、放大和数字化过程中的电子噪声。由于 条纹图像中相位场的余弦调制，图像中有用信息的频率处于较高水平的带宽上， 而噪声属于高频成分，因此在图像的频谱图中，条纹信号的频谱和噪声通常叠加 在一起，如图3 2 1 所示，这种实际情况给滤除条纹图的加性噪声带来了很大的 困难。 1 8 浙江大学硕士学位论文 孵、j y 厂7 ，多_ i i l 、 、 ，、 ! 一 图3 2 1 条纹信号频谱图 乘性噪声主要指相干噪声或者散斑噪声，不随时间变化。散斑噪声与条纹光 强是相乘的关系。最常见的系统噪声是条纹图的背景光强的变化和条纹幅值的变 换。理想条纹图的背景光强和条纹幅值是常数。而在实际条纹图中，这两者总是 变化的，增加了图像处理的难度。 但因电子散斑图像采用相减模式获取干涉条纹，这些噪声的影响可以被大大 地消减而不占主要地位。通过分析可知散斑干涉图像的特征是存在大量的随机噪 声，表现为条纹亮带中有暗点，暗带中有亮点，亮带和暗带中没有明显的边界，且 没有前景与背景分，图像对比度差。在这里我们在预处理过程中，尽可能的将噪 声削弱。 3 2 2 去噪处理的方法 由上节分析可知，图像中的噪声一般处于高频信号段。在去噪处理中我们通 常使用加入滤波器的方法，但是选择合适的滤波器和门限，是决定最后处理结果 的重要因素。这不仅和原始图像的特性有关，也与实际滤波器的设计密切相关。 图像处理中常用的滤波平滑方法有以下几种： 1 均值滤波和加权均值滤波 2 带有阈值的均值滤波 3 高斯滤波 4 旋滤波 5 f f t 算法 6 离散余弦变换( d c ，i i ) 1 9 浙江人学颂上学位呛文 根据已得的散斑干涉原始条纹图3 2 2 进行预处理，以期获得较好的滤波除 噪效果，我们使用的原始相减之后干涉条纹图： 图3 2 2 原始条纹图 高斯滤波，均值滤波效果如下图3 2 3 n 示： 图3 2 3 高斯滤波( 左) 和均值滤波( 有) 根据上图，用均值滤波法，在滤掉噪声的同时模糊了条纹，即把部分条纹信 息也滤掉了；另一方面，为了减少模糊效应，不得不将低通滤波器的门限提高， 这样又使大量噪声也通过了滤波器。其他的如高斯，旋滤波等滤波方法均不能取 得良好的效果。用傅里叶变换方法，机器运算时间长，不利于实时测量。在这里 我们应用相对较好的离散余弦变换( d c t ) 滤波方法。 2 0 浙江大学硕士学位论文 3 2 3 离散余弦变换( d c t ) 滤波方法 离散余弦变换( d c tf o rd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 是与傅里叶变换相关的一 种变换，它类似于离散傅里叶变换( d f tf o rd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) ，但是只使 用实数。离散余弦变换相当于一个长度大概是它两倍的离散傅里叶变换，这个离 散傅里叶变换是对一个实偶函数进行的( 因为一个实偶函数的傅里叶变换仍然是 一个实偶函数) 。 离散余弦变换，经常被信号处理和图像处理使用，用于对信号和图像( 包括 静止图像和运动图像) 进行有损数据压缩。这是由于离散余弦变换具有很强的”能 量集中“特性：大多数的自然信号( 包括声音和图像) 的能量都集中在离散余弦变换 后的低频部分，而且当信号具有接近马尔科夫过程( m a r k o vp r o c e s s e s ) 的统计特性 时，离散余弦变换的去相关性接近于k l 变换( k a r h u n e n - l o e v e 变换一它具有最优 的去相关性) 的性能。 二维离散余弦变换定义为： ，( ”，v ) ：口( “) 口( ，1 y n - i y n - 1 厂k y l c o s ( 2 x + 1 ) u n c o s ( 2 y + 1 ) v 7 r ( 3 2 1 ) ，( ) = 口( “) 口( v ) 萎丢几，j ，) 可可 3 2 1 j = u 归u川。- 逆变换可以表示为： 厂( 矗) ，) ：箩箩口( “) 口( v 扩( “，v ) c o s ( 2 x + 1 ) u n c o s ( 2 y + 1 ) v ，r ( 3 2 2 ) ( 而y ) 2 萎委口( “) 口( v 沙( “，v ) 1 万一1 万一 ( 3 2 ) 其中空域和变换域元素矩阵维数为n ，f ( x ，y ) 是二维空间域元素，x , y = o ，1 ，2 ，n 一1 ，f ( u ，) 为经过二维离散余弦变换后的变换域元素。式中系数为： 口( o ) = 专，口( x ) = 专，x 一 因为图像噪声主要集中在高频成分，我们先把图像经过d c t 余弦变换到频 域，再经过巴特沃思低通滤波器，最后i d c t 余弦反变换到空域。 2 l 浙江火学硕士学位论文 3 3 图像细化 图3 2 4 ：基于d c t 滤波的效果图 图像细化一般作为一种图像预处理技术出现，目的是提取源图像的骨架，即 是将原图像中线条宽度大于1 个像素的线条细化成只有一个像素宽，形成骨架， 形成骨架后能比较容易的分析图像，如提取图像的特征。 3 3 1 常用细化方法 1 传统灰度阈值法 最早出现的灰度阈值法，其基本思想是对整幅条纹图选定一个合适的阈值丁 进行二值化。 ，瓴护嬲曷 3 ， 这样就使原来的条纹图在阈值设定后变成了二值化的条纹图，然后在进行细 化，直至成为单一细线。这种方法的特点是一：简单有效，只能得到亮条纹或者 暗条纹的骨架线；二：选择合适的全场阈值十分困难。由于实际背景光场十分复 杂，通常一个常数阈值很难适合于全场；三：人工阈值方法的选择，设置多个阈 值点，相对来说算法设计更为复杂。 2 h il d it c h 算法 5 3 - 5 4 经典h i l d i t c h 算法是一种比较有效的二值图像细化算法，其主导思想是每次 浙江大学硕士学位论文 删除图像上的轮廓像素，直到图像上不存在可删除的轮廓像素为止。二值图中目 标像素值为1 ，背景像素值为0 。图像中任意点p 的8 邻域如图3 3 1 所示。其中， 联结数为8 邻域中互相分离的联结成份的个数，目标像素的联结数可以表示为： n c = ( n 6 - n 6 n 7 n o ) + e ( n k m m + 。m + ：) ( 七= o ，2 ，4 ) 式中当p k 1 时，m = 1 ，否则m = 0 。 p 4p 3p 2 p 5p p 1 p 6p 7p 8 图3 3 1h i l d i t c h 细化算予 在此算法中，如果目标像素满足下列条件即为可删除像素： ( 1 ) p 1 + p 3 + p 5 + p 7 3 ； ( 2 ) n c = l ： ( 3 ) p k ( o k , n o 这里，( x ，y ) 是原始图像的灰度值，e ( x ，y ) 是灰度变换后的灰度值，m o 是选定的 阈值。通过逐点对灰度值进行修正的运算，将先前比较小的灰度范围扩展到了整 个灰度空间。阈值可以自动设定也可以人工设定，这里我们通过实验比较选 择相对良好的阈值。 图像平滑算法既可以消除白噪声，又可以减少凹陷和毛刺( 尖锐边缘) 。线 性平滑滤波器就是以灰度值( x ，y ) 的像素为中心，窗口像素组成的点集a 表示， 集内像素数以l 来表示，经过邻域平均法滤波后，像素，( x ，y ) 对应的输出是： 浙江大学硕士学位论文 g ( j ，后) = 了1 i ( x ，y ) ( 3 3 4 ) 上。( j ，y 卜l 即用窗口像素的平均值代替，( x ，y ) 。平滑算法有力的抑制了噪声，但是也由于平 均引起了模糊现象。在平滑处理之后我们进一步除噪，使用基于o c t 余弦变换的 方法，上节有详细介绍，这里不再赘述。 在以上算法的基础上，对图像进一步实现二值化，填充和增强运算。比较各 个点的灰度值，我们通过设置门限g ，将图像二值化【5 6 】： g 瓴。= 尽茹 ( 3 3 5 ) g ( i ，) 表示的是二值图像的中点( f ，j f ) 的灰度值，g 。i 是原图像的灰度值。二值化 后的图像会出现断点，在细化前需要修补这些点，选择适当的填充算法。如有需 要进行重复运算，直至得到较为理想的二值化图像。 至此，以上的过程通常意义上成为细化前的预处理，我们把这些运算都作为 预处理的其中一部分来看待。细化算法我们使用改进后的h i l d i t c h 细化算法。 通过实验证明，干涉条纹图中的毛刺，孤立点对h i l d i t c h 经典细化算法的 影响比较大，容易造成细化后的条纹骨架偏离中心线。在h i l d i t c h 细化算法中 引入9 个模板，来防止毛刺，孤立点对细化结果的影响，这9 个模板如图3 3 5 所示。在h il d i t c h 算法运行中，每次扫描图像以前